Membranbiologie

statt Ertüchtigung von Nachklärbecken

Norbert Engelhardt

50 Jahre Oswald Schulze Stiftung

Technische Innovationen bei der Abwasserreinigung 27.09.2018, Münster

Köln

Neuss

Mönchen-

Gladbach

Düren

Bergheim

Bonn

Aachen

Euskirchen

Grevenbroich

GKW Nordkanal

80.000 EW (2004)

KA Titz-Rödingen

3.000 EW (1999)

KA Bergh.-Glessen

9.000 EW (2008)

Membranbelebungsanlagen des Erftverbands

2

Kläranlagen im Vergleich

MBR-Halle 3

Kläranlage Grevenboich

Konventionelle Verfahrenstechnik

Ausbau: 97.000 EW

ohne Flockungsfiltration

anaerobe Schlammbehandlung

drei Nachklärbecken

Klärwerk Nordkanal

Membranbelebungsanlage

Ausbau 80.000 EW

mit Feinsiebung

(noch) ohne Schlammfaulung

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Anforderungen an die Abwasserreinigung

Aktuelle und „perspektivische“ Anforderungen

Weitgehende Nährstoffelimination

Geringer Energiebedarf

Elimination von Mikroplastik

Elimination von multiresistenten Keimen

Hygienisierung des KA-Ablaufes

Elimination von Spurenstoffen

Kleinräumige Bauweise

Effizienz (Schaffung wirtschaftlicher Kläranlagengrößen)

Limitierende „technische“ Faktoren

Größe der biologischen Stufe (Beckenvolumina)

Sedimentationsverfahren (Vorklärung, Nachklärung)

Flächenverfügbarkeit (für zusätzliche Stufen bzw. Erweiterungen)

Energiebedarf

… … …

5

Prinzip des Sedimentationsverfahrens

Abwasser

Belebtschlamm,

Wasser

Überlauf

Nachklärung

Schlammabzug

AFS im Ablauf NK:

5 – 15 mg/L

Prinzip des Membranverfahrens

Membran

Überströmung

Abwasser,

Belebtschlamm,

Wasser

Filtrat, Permeat

Porengröße der Membran:

• Mikrofiltration: 0,1 – 10 µm

• Ultrafiltration: 0,01 – 0,1 µm

• Nanofiltration: 0,001 – 0,01 µm

AFS im Ablauf MBA: 0 mg/L

Trenngrenzen der Membranverfahren

Moleküle, Salze

Kolloide

Bakterien

Suspendierte Stoffe

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100mm

Umkehrosmose

Ultrafiltration

Mikrofiltration

Partikelfiltration Filtrationsverfahren

Zurückgehaltene Stoffe

Durchmesser in [mm]

0.04

Viren

Nanofiltration

Nominale Porengröße der UF-Membrane 7

Größenvergleich Bakterien ./. Membranporen

Porengröße ca. 0,04 µm

Ultrafiltration

E. Coli ca. 0,5 - 1,5 µm

MS2-Virus

(Coliphage)

ca. 0,025 µm

B. Subtilis ca. 0,3 µm

Membran Membran

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Konventionelle Verfahrenstechnik

Rechen Sandfang Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter

Membranbelebungsanlage

mit integrierter Membran Feinsieb

Feinsieb separater

Membranfilter

Verfahrenstechnischer Vergleich

konventionelle Kläranlage ./. Membranbelebungsanlage

ggf. ggf.

Membranbelebung

Membran-

belebung

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Vorteile der Membrantechnologie

Verbesserte technische (Betriebs-)Bedingungen

Verbesserte Beschaffenheit des Kläranlagenablaufs

vollständiger Feststoff- und Mikroplastikrückhalt

geringe CSB- und BSB5- und Pges-Konzentrationen im Ablauf

gute Vorbehandlung für nachgeschaltete Spurenstoffelimination

(Teil-)Hygienisierung (z. B. keine multiresistenten Keime im Ablauf)

keine Betriebsprobleme durch Schaum, Schwimm- oder Blähschlamm

Wegfall von Nachklärbecken und konventioneller Filtration

geringer Platzbedarf

kleine Belebungsbeckenvolumina durch hohe Biomassekonzentrationen

im Belebungsbecken (TSBB: 8 – 12 g/l (bis zu 15 g/l möglich))

vollständiger Rückhalt von PAK (bei „simultaner“ Spurenstoffelimination)

ohne Absetzbecken und/oder Sandfiltration

Beispiel 1:

GKW Nordkanal → Membranbelebungsanlage

Ausbaugröße: 80.000 EW

Filterfläche Membrane 84.000 m² (Hohlfaserkapillare)

Abwassermenge 45.000 m³/d (Mischwasserzufluss)

Volumen Belebung 9.200 m³ (DN - Vario - N)

Bemessung TS Belebung 12 g/L ( derzeit → 8 -10 g/L )

Verfahrensschema (2004)

Kenngrößen:

Denitrifikation/

Variozone

Nitrifikation/

Membranfiltration

Rechen Sand-

Fettfang Siebe

FM

RZ

Permeat

ÜSS

Eindicker MSE

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Nominale Porengröße 0,04 µm (Ultrafiltration)

Konventioneller Ausbau Ausbau mit Membrantechnik

Flächenvergleich

Membranbelebungsanlage ./. Konventionelle Kläranlage

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Siebung

Beispiel: Klärwerk Nordkanal (80.000 EW)

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Konventionelle Verfahrenstechnik

Rechen Sandfang Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter

Verfahrenskonzept Membranbelebungsanlage Nordkanal (alt / neu)l

GKW Nordkanal – Membranbelebungsanlage, 80.000 EW

Verfahrenstechnische Änderung 2018

Feinsieb Membranfilter

Membranfilter Feinsieb

2004

2018

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Ziel:

Reduzierung der Betriebskosten

Reduzierung Energieverbrauch von

ca. 0,6 kWk/m³ auf 0,45 kWh/m³

Eigenstromerzeugung

Reduzierung Klärschlammanfall

Stand der Bauabwicklung:

Bau im Zeitplan (Fertigstellung Jahresende 2018)

Kosten:

ca. 9,5 Mio €

Förderung durch NRW + BMU

(in Summe ca. 50%)

Membranbelebungsanlage

mit Klärschlammfaulung

und Eigenstromgewinnung

Umbaukonzept

GKW Nordkanal – Membranbelebungsanlage, 80.000 EW

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Vorklärbecken + Siebung

Gasspeicher

Deammonifikation

Faulbehälter

BHKW-

Gebäude

GKW Nordkanal → Membranbelebungsanlage, 80.000 EW

2018: Ergänzung mit anaerober Schlammstabilisierung und BHKW

Ministerium für Umwelt,

Landwirtschaft, Natur- und

Verbraucherschutz NRW Gefördert durch:

Bundesministerium

für Umwelt, Naturschutz

und nukleare Sicherheit +

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Beispiel GKW Nordkanal – Kennzahlen Ausbauvarianten

Konventioneller

Ausbau

MBR-Anlage

(2004)

Rechen

Sandfang

Siebung

Vorklärung

Belebung

Nachklärung

Filterfläche

Schlammspeicher

Faulbehälter

Gasbehälter

Umbauter Raum

Flächenbedarf

Versiegelte Fläche

8 mm

24,5 m

-

750 m³

13.600 m³

1.450 m²

130 m²

1.650 m³

3.200 m³

1.045 m³

36.000 m³

35.000 m²

23.000 m²

5 mm

24,5 m

1,5 mm (Masche)

0

9.200 m³

0

84.000 m²

1.725 m³

0

0

24.000 m³

15.000 m²

10.000 m²

670 m³

2.600 m³

1.200 m³

Bauwerke MBR-Anlage

(2018)

17.000 m³

25.500 m³

1.725 m³

84.000 m²

0

9.200 m³

5 mm

24,5 m

1,5 mm (Masche)

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Beispiel 2:

Kläranlage BM-Glessen (5.000 EW) Lageplan, Bestand 2005

Glessener

Bach

Betriebs-

gebäude

Sandfang

Belebungsbecken

Nachklärung

Schlamm-

speicher

Pumpwerk

Rechen

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Ausbaukonzept mit konventioneller Verfahrenstechnik (5.000 EW → 9.000 EW)

Rechen Sandfang Belebungsbecken Nachklärung Flockungs-

filter

Ausbau mit Membranbelebungsverfahren (5.000 EW → 9.000 EW)

Feinsieb Membranfilter

Verfahrenstechnischer Vergleich (KA Glessen)

konventioneller Ausbau ./. Membranbelebungsanlage

Verteiler

neu ggf.

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Kläranlage BM-Glessen, 9.000 EW

Lageplan 2008

GKW Nordkanal, Erftverband 2004

20

Kläranlage BM-Glessen, 9.000 EW

Fläche der alten

Kläranlage (5.000 EW)

Ergänzung um

Membranfiltration

(9.000 EW)

neue Überwachungswerte

30 mg/l

90 mg/l

10 mg/l

2 mg/l

BSB5

CSB

NH4-N

Pges

6 mg/l

30 mg/l

1,5 mg/l

0,6 mg/l

BSB5

CSB

NH4-N

Pges

alte Überwachungswerte

Reinigungsleistung von Membranbelebungsanlagen

Parameter Einheit Durchschn.

Wert

Max.

Wert

Nachweismethode

Salmonellen /100 ml < 30 < 30 DIN 38414-13

(MPN-Methode)

Intestinale

Enterokokken /100 ml 1 4 DIN EN ISO 7899-2

E-coli /100 ml 1 6 Colilert -18/Quanti-Tray

Coliforme

Bakt. /100 ml < 50 148 Colilert -18/Quanti-Tray

EG Bade-

gewässer-

richtlinie

200 *

500 *

k.A.

k.A.

Hygienische Qualität des gereinigten Abwassers

* „ausgezeichnete Qualität“

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Elimination von Mikroplastik in Kläranlagen

Vergleich des Ablaufs unterschiedlicher Kläranlagen/-verfahren

22

Quelle: Abschlussbericht Forschungsprojekt „Mikroplastik“, Hochschule Bremen, 2015

GKW Nordkanal

Reinigungsleistung von Membranbelebungsanlagen

Partikelrückhalt in einer Kläranlage

Beispiel: Von 10.000 Partikeln im Zulauf

gelangen in den Ablauf: 1.000 – 3.400 Partikel.

Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen

23

80 – 90%

66 – 90%

nach Talvitie, 2018

Vorreinigung Biologische Stufe

Vorklärung Nachklärung

Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 10 – 34%

Partikelrückhalt in einer Kläranlage

Beispiel: Von 10.000 Partikeln im Zulauf

gelangen in den Ablauf 100 – 1.000 Partikel.

Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen

24

80 – 90%

66 – 90% 90 – 99%

nach Talvitie, 2018

Vorreinigung Biologische Stufe Sand-

Filtration Vorklärung Nachklärung

Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 1 – 10%

Partikelrückhalt in einer Kläranlage

Beispiel: Von 10.000 Partikeln im Zulauf

gelangen in den Ablauf 1 – 10 Partikel.

Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen

25

80 – 90%

nach Talvitie, 2018

Vorreinigung Biologische Stufe

Vorklärung

Membran-

Filtration

99,9 - 99,99%

Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 0,01 – 0,1%

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Entwicklung der spez. Kosten getauchter Membranen

MBA Rödingen (3.000 EW)

MBA Nordkanal (80.000 EW)

KA Glessen (9.000 EW)

nach Brepols

Reinigungsleistung – Betriebssicherheit - Wirtschaftlichkeit der Membranbelebungsanlagen des Erftverbandes

Energiebedarf: normal

Standzeit der Membranen: wirtschaftlich

Betriebssicherheit: sehr hoch

IST (2018): > 14 Jahre

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IST ( 2016): < 0,60 kWh/m³

seit mehr als 14 Jahren: 100% Verfügbarkeit

seit mehr als 14 Jahren: ständig hohe Reinigungsleistung

frei von Feststoffen bzw. Partikeln

nahezu hygienisiert (keine multiresistenten Keime)

frei von Mikroplastik

Qualität des gereinigten Abwassers: hervorragend

Plan ( 2019): < 0,45 kWh/m³ (mit Vorklärung + Faulung)

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Der spezifische Energieverbrauch der MBA Nordkanal liegt derzeit

unter 0,60 kWh/ m³. Mit der Inbetriebnahmen anaeroben Schlamm-

behandlung wird eine weitere Senkung auf 0,45 kWh/m³ erwartet.

Membranbelebungsanlagen zeigen im langjährigen Dauerbetrieb

durchgängig sehr gute und stabile Betriebsergebnisse.

Der Ablauf von MBA unterschreitet die Grenzwerte der EG-Bade-

gewässerrichtlinie bei weitem. (Teil-Hygienisierung)

Durch Umrüsten konventioneller Kläranlagen zu Membranbelebungs-

anlagen kann die Kapazität der vorhandenen biologischen Stufe mehr

als verdoppelt werden (höherer TSBB, keine Nachklärung erforderlich)

Die Standzeit der Ultrafiltrationsmembrane in der MBA

Nordkanal beträgt mittlerweile mehr als 14 Jahre.

Mit Membranbelebungsanlagen können viele aktuell diskutierten

Problemstoffe in einer Behandlungsstufe eliminiert (Mikroplastik,

multiresistente Bakterien) oder signifikant reduziert werden (z. B.

Phosphor, Spurenstoffe bei PAK-Zugabe).

Fazit und Ausblick

29

Ministerium für Umwelt,

Landwirtschaft Natur- und

Verbraucherschutz NRW

Ein besonderer Dank geht an:

„Membranbelebungsanlagen statt Ertüchtigung von NK-Becken“